In der Biochemie bezeichnet Dephosphorylierung die Entfernung eines Phosphats ( PO₄) .3−4Die Dephosphorylierung ist eine reversible posttranslationale Modifikation , bei der eine Phosphatgruppe durch Hydrolyse von einer organischen Verbindung abgespalten wird. Dephosphorylierung und Phosphorylierung aktivieren bzw. deaktivieren Enzyme durch Abspaltung oder Anlagerung von Phosphorsäureestern und -anhydriden . Ein bekanntes Beispiel für Dephosphorylierung ist die Umwandlung von ATP in ADP und anorganisches Phosphat.

Die Dephosphorylierung erfolgt mithilfe eines hydrolytischen Enzyms, einer sogenannten Hydrolase , die Esterbindungen spaltet. Die wichtigste Hydrolase-Unterklasse bei der Dephosphorylierung ist die Phosphatase , die Phosphatgruppen entfernt, indem sie Phosphorsäuremonoester in ein Phosphation und ein Molekül mit einer freien Hydroxylgruppe (–OH) hydrolysiert.

Die reversible Phosphorylierungs-Dephosphorylierungs-Reaktion findet in jedem physiologischen Prozess statt, weshalb die korrekte Funktion von Proteinphosphatasen für die Lebensfähigkeit des Organismus unerlässlich ist. Da die Proteindephosphorylierung ein Schlüsselprozess der Zellsignalisierung ist [ 1 ] , spielen Proteinphosphatasen eine Rolle bei Erkrankungen wie Herzkrankheiten, Diabetes und Alzheimer [ 2 ] .

Geschichte

Die Entdeckung der Dephosphorylierung erfolgte durch eine Reihe von Experimenten mit dem aus Kaninchenskelettmuskel isolierten Enzym Phosphorylase. 1955 wiesen Edwin Krebs und Edmond Fischer mithilfe von radioaktiv markiertem ATP nach, dass durch Phosphorylierung ein Phosphatrest an den Serinrest der Phosphorylase angelagert wird, wodurch diese von ihrer b- in ihre a- Form übergeht. [ 3 ] Anschließend zeigten Krebs und Fischer, dass diese Phosphorylierung Teil einer Kinase-Kaskade ist. Nach der Reinigung der phosphorylierten Form des Enzyms, der Phosphorylase a , aus Kaninchenleber, wurden schließlich Phosphoproteinphosphatasen I und II mittels Ionenaustauschchromatographie identifiziert. [ 4 ]

Seit der Entdeckung dieser dephosphorylierenden Proteine ​​wird die Reversibilität der Phosphorylierung und Dephosphorylierung mit einer Vielzahl funktioneller Proteine ​​in Verbindung gebracht, vorwiegend enzymatischen, aber auch nicht-enzymatischen Proteinen. [ 5 ] Edwin Krebs und Edmond Fischer erhielten 1992 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der reversiblen Proteinphosphorylierung. [ 6 ]

Funktion

PTEN, eine Phosphatase.
Kristallographische Struktur des humanen Phosphatase- und Tensinhomologs (PTEN). Das aktive Zentrum der blauen N-terminalen Phosphatasedomäne ist gelb dargestellt. Die C-terminale C2-Domäne ist rot dargestellt. [ 7 ]

Die Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Hydroxylgruppen neutraler, aber polarer Aminosäuren wie Serin, Threonin und Tyrosin in spezifischen Zielproteinen ist ein fundamentaler Bestandteil der Regulation physiologischer Prozesse. Bei der Phosphorylierung wird die Hydroxylgruppe kovalent durch einen nukleophilen Angriff des Sauerstoffs der Hydroxylgruppe auf das α-Phosphat des ATP mit einer Phosphatgruppe modifiziert. Die Dephosphorylierung beinhaltet die Abspaltung der Phosphatgruppe durch eine Hydratisierungsreaktion. Dabei wird ein Wassermolekül addiert, die ursprüngliche Phosphatgruppe freigesetzt und die Hydroxylgruppe regeneriert. Beide Prozesse sind reversibel und können zur Aktivierung oder Deaktivierung eines Proteins genutzt werden. Die Phosphorylierung eines Proteins bewirkt vielfältige biochemische Effekte, wie beispielsweise die Veränderung seiner Konformation, um die Bindung an einen spezifischen Liganden zu beeinflussen und so seine Aktivität zu erhöhen oder zu verringern. Phosphorylierung und Dephosphorylierung können auf alle Arten von Substraten angewendet werden, darunter Strukturproteine, Enzyme, Membrankanäle, Signalmoleküle sowie andere Kinasen und Phosphatasen. Die Summe dieser Prozesse wird als Phosphoregulation bezeichnet. [ 8 ] Eine Deregulierung der Phosphorylierung kann zu Krankheiten führen. [ 9 ]

Posttranslationale Modifikation

Bei der Proteinsynthese müssen Polypeptidketten, die durch die Translation von mRNA durch Ribosomen entstehen, prozessiert werden, bevor sie ihre endgültige Konformation annehmen können. Die Dephosphorylierung von Proteinen ist ein Mechanismus zur Modifizierung des Proteinverhaltens, häufig durch Aktivierung oder Inaktivierung eines Enzyms . Komponenten des Proteinsyntheseapparats unterliegen ebenfalls der Phosphorylierung und Dephosphorylierung und regulieren so die Geschwindigkeit der Proteinsynthese. [ 10 ]

Im Rahmen posttranslationaler Modifikationen können Phosphatgruppen von Serin, Threonin oder Tyrosin abgespalten werden. Daher hängen intrazelluläre Signalwege von der sequenziellen Phosphorylierung und Dephosphorylierung einer Vielzahl von Proteinen ab.

ATP

ATP 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO2−4+ H +

Adenosintriphosphat (ATP) fungiert in allen Lebewesen als freie Energiequelle. Bei einer spontanen Dephosphorylierungsreaktion werden 30,5 kJ/mol freigesetzt, die für zelluläre Reaktionen genutzt werden. Nicht spontane Reaktionen, die an die Dephosphorylierung von ATP gekoppelt sind, verlaufen hingegen spontan, da die gekoppelte Reaktion eine negative freie Energieänderung aufweist. Dies ist wichtig für die oxidative Phosphorylierung. ATP wird zu ADP und anorganischem Phosphat dephosphoryliert. [ 11 ]

Auf zellulärer Ebene bestimmt die Dephosphorylierung von ATPasen den Ionenfluss in und aus der Zelle. Protonenpumpenhemmer sind eine Wirkstoffklasse, die direkt auf die ATPasen des Magen-Darm-Trakts wirkt.

Andere Reaktionen

Neben ATP unterliegen auch andere Moleküle im Rahmen anderer biologischer Systeme einer Dephosphorylierung. Verschiedene Verbindungen erzeugen infolge der Dephosphorylierung unterschiedliche freie Energieänderungen. [ 11 ]

MolekülÄnderung der freien Energie
Acetylphosphat47,3 kJ/mol
Glucose-6-phosphat13,8 kJ/mol
Phosphoenolpyruvat (PEP)−61,9 kJ/mol
Phosphokreatin43,1 kJ/mol

Psilocybin wird durch Dephosphorylierung zu Psilocin metabolisiert und anschließend ausgeschieden. Derzeit liegen keine Informationen über den Einfluss von Psilocybin auf die Veränderung der freien Energie vor.

Photosystem II

Der erste Proteinkomplex der lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese wird als Photosystem II bezeichnet . Dieser Komplex nutzt ein Enzym, um Lichtphotonen einzufangen und so dem Photosyntheseprozess alle zur ATP-Produktion benötigten Elektronen bereitzustellen. Photosystem II ist besonders temperaturempfindlich [ 12 ] , und die Dephosphorylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Temperaturen. Bei erhöhten Temperaturen kommt es in den photosynthetischen Thylakoidmembranen zu einer beschleunigten Dephosphorylierung von Proteinen, was sich direkt auf die Dephosphorylierung wichtiger Proteine ​​innerhalb des Photosystem-II-Komplexes auswirkt [ 13 ] .

Pathologie

Eine übermäßige Dephosphorylierung der Membran-ATPasen und Protonenpumpen im Magen-Darm-Trakt führt zu einer erhöhten Sekretion ätzender Magensäuren. Dies verursacht Sodbrennen und Ösophagitis. In Kombination mit einer Helicobacter-pylori -Infektion wird durch den erhöhten pH-Wert, der durch die Dephosphorylierung hervorgerufen wird, ein Magengeschwür verursacht. [ 14 ]

Das mikrotubulusassoziierte Protein Tau ist im Gehirn von Alzheimer- Patienten abnormal hyperphosphoryliert . Dies beruht auf einer Dysfunktion der Dephosphorylierungsmechanismen an spezifischen Aminosäuren des Tau-Proteins. Die Tau-Dephosphorylierung wird durch die Proteinphosphatasen 2A und 2B katalysiert. Ein Mangel oder eine Modifikation eines oder beider Proteine ​​könnte an der abnormalen Phosphorylierung von Tau bei Alzheimer beteiligt sein [ 15 ].

Die Dephosphorylierung steht auch im Zusammenhang mit Herzerkrankungen , insbesondere mit der Veränderung der Aktin-Myosin-Interaktionen, die für die Kontraktionskraft des Herzschlags entscheidend sind. Die Dephosphorylierung ist ein wichtiger Bestandteil der Myosin-Zykluskinetik und steuert die Aktin-Myosin-Interaktionen direkt. Wird der Dephosphorylierungsprozess unterbrochen, ist die kalziumabhängige Kontraktion des Herzens beeinträchtigt oder vollständig aufgehoben. [ 16 ]

Untersuchungen deuten zudem darauf hin, dass Veränderungen der Dephosphorylierung physiologische Prozesse beeinflussen, die mit Diabetes mellitus in Zusammenhang stehen . Die Kinetik der Dephosphorylierung von Insulinrezeptorsubstrat-1/2, Akt und ERK1/2 sowie Phosphoproteinen ist nachweislich an der Insulinrezeptor-Signalübertragung beteiligt, und In-vitro -Modelle zeigen, dass Veränderungen der Dephosphorylierungskinetik Auswirkungen auf die Insulin-Stimulation vor und nachgeschaltet haben. [ 17 ]

Behandlung

Die Hemmung von Protonenpumpen [ 14 ] senkt den Säuregehalt des Magen-Darm-Trakts signifikant und lindert so die Symptome säurebedingter Erkrankungen. Die daraus resultierende pH-Wert-Änderung verringert das Überleben des Bakteriums Helicobacter pylori , einem Hauptverursacher von Magengeschwüren. Sobald der Protonenpumpenhemmer dieses Bakterium im Darm eliminiert hat, wird der erosive Reflux rückgängig gemacht. Die Behandlung von Herzerkrankungen hat sich durch den Einsatz von Medikamenten verbessert, die AMPK durch Dephosphorylierung hemmen [ 18 ] . In der Diabetestherapie können Sulfonylharnstoffe die Dephosphorylierung des Glukosetransporters GLUT4 stimulieren , wodurch die Insulinresistenz verringert und die Glukoseverwertung erhöht wird [ 19 ] .

Forschungsanwendungen

Die Dephosphorylierung spielt eine Schlüsselrolle in der Molekularbiologie, insbesondere beim Klonen mit Restriktionsenzymen . Die Schnittenden eines Vektors können sich während eines Ligationsschritts aufgrund von Phosphorylierung wieder verbinden . Durch den Einsatz einer desphosphorylierenden Phosphatase lässt sich diese erneute Verbindung verhindern. [ 20 ] Alkalische Phosphatasen , die die Phosphatgruppe am 5′-Ende eines DNA-Moleküls abspalten, werden häufig natürlich gewonnen, meist aus Kälberdarm, und mit CIP abgekürzt . [ 21 ]

Zugrundeliegende evolutionäre Kräfte

Rekonstruktion des Vorfahrenzustands und artübergreifende orthologe Sequenzanalyse. a Rekonstruktion des Vorfahrenzustands für das menschliche Val129 (roter Pfeil) basierend auf der Maximum-Parsimony-Methode (MP) in MEGA11. b Regionale Sequenzanalyse, die die menschliche Val129-Position umfasst (schwarzer Pfeil über der Sequenzanalyse).

Die Rolle der natürlichen Selektion bei der Dephosphorylierung ist noch nicht vollständig erforscht. Eine aktuelle Studie hat gezeigt, dass IRF9, ein Mitglied der Familie der Interferon-regulatorischen Faktoren (IRFs), einer wichtigen Familie für die antivirale Immunantwort, während der menschlichen Evolution von der natürlichen Selektion beeinflusst worden sein könnte. [ 22 ] Positive Selektion wurde an der Aminosäureposition Val129 (NP_006075.3:p.Ser129Val) des humanen IRF9 nachgewiesen. Der ursprüngliche Zustand (Ser129) ist bei Säugetieren konserviert, während der neue Zustand (Val129) vor der Ausbreitung des Menschen aus Afrika vor etwa 500.000 Jahren fixiert wurde. Diese junge Aminosäure (Val129) könnte als Dephosphorylierungsstelle von IRF9 dienen. Die Dephosphorylierung könnte die Immunaktivität von IRF9 beeinflussen. [ 22 ]

Siehe auch

Referenzen

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